超声波报警器.docx
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超声波报警器
绍兴文理学院
电子信息工程专业
传感器原理与应用课程设计报告
设计题目：
超声波报警器
专业：
电子信息工程
班级：
电信111
学号：
XXXXX
姓名：
XXXXX
同组人员：
XXXX
指导老师：
XXXXX
完成日期：
2015-1-6
目录
1设计任务和性能指标1
1.1设计任务1
1.2性能指标1
2设计方案1
2.1需求分析1
2.2方案论证1
3系统硬件设计3
3.1单片机3
3.2超声波模块4
3.3按键模块5
3.4显示模块6
3.5报警模块6
4安装、调试/仿真、调试7
4.1调试步骤7
4.2实验测试结果/仿真结果及性能分析7
5总结8
6、参考文献8
附录1系统硬件电路图/仿真电路图9
附录2元器件清单9
附录3程序清单10
1设计任务和性能指标
1.1设计任务
1.设计并制作一个超声波报警器，当距离小于设定值时，发出警报信号。
2.超声波报警器的报警距离可调。
3.超声波报警器可显示实测距离和设定距离。
1.2性能指标
1.测量最大距离达到2米。
2.测距误差小于5%。
3.反应时间小于0.5秒。
2设计方案
2.1需求分析
随着现代社会工业化程的发展，汽车这一交通工具正为越来越多的人所用，但是随之而来的问题也显而易见，那就是随着车辆的增多，交通事故的频繁发生，由此导致的人员伤亡和财产损失数目惊人。
对于公路交通事故的分析表明，80%以上的车祸事由于驾驶员反应不及所引起的，超过65%的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞。
奔驰汽车公司对各类交通事故的研究表明：
若驾驶员能够提早1s意识到有事故危险并采取相应的正确措施，则绝大多数的交通事故都可以避免。
因此，大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置，减少驾驶员的负担和判断错误，对于提高交通安全将起到重要的作用。
显然，此类产品的研究开发具有极大的实现意义和广阔的应用前景。
2.2方案论证
超声波的测距方案有三种，分别是相位的检测法、幅值的检测法和渡越时间法。
1.相位的检测法
相位的检测法可分2种，方法一是用发射不同频率超声波来显现的。
先发射波长为
的超声波，检测出回波相位为
。
假设所用的波周期数
则能求的目标物体的距离为：
同样道理可以算出第二束波形测距的计算公式为：
其中：
为第二束波的相位角，
是波长，
是周期数。
又由于
和
都为正数,与此同时再一次进行时间补偿算法，可准确求目标距离值。
但是因为超声波探头是有固定频率，假设改变频率，系统衰减会大，需要两套信号的检测电路，实施难度加大，不适宜采用。
方法二是使用单一超声波的探头来进行相位的检测法检测，这种方法是待测距离在一个周期内使用，若过选用40kHz超声波为传播介质，一个周期对应检测距离为
，因此这种方法的准确度很高。
2.幅值的检测法
发射固定频率的超声波，接着使用反射或对射法的检测接收得到的超声波脉冲的强度，从超声波回波衰减理论，认真对回波脉冲强度的进行分析，从而求得目标距离。
3.渡越时间法
渡越时间意思是开始从传感器发射出超声波开始计时，经气体的介质传播，达到传感器接收到回波时计时的停止。
因为在一定的环境下，温度不会变化，或变化较缓慢，可近似认为常数，这时声速是保持不变的，所以能通过检测渡越的时间，结合现场声速，从而求得传感器和目标之间的距离。
经过上述的分析可知，相位的检测法和幅值的检测法精度都比较高，但是实现难度都比较大且开销也比较大，渡越时间法手环境因素影响，因而其精度不高，但其实现难度和开销较低。
由于我们设计的超声波报警系统主要用于汽车防撞，因此对精度的要求并不是很高，因此综合考虑了价格、难度等因素后选择了渡越时间法。
3系统硬件设计
超声波报警器由超声波模块、单片机、显示模块及报警模块组成，其系统框图如下所示：
图1系统框图
下面将介绍各模块的功能并且给出各模块的硬件电路。
3.1单片机
该模块是超声波报警系统的核心，需要接收按键模块和超声波模块的信息并对获得的信息进行处理，然后将数据传送到显示模块进行显示并控制报警系统。
在该模块中选用了STC89C52单片机，其最小系统电路如下图所示：
图2STC89C52单片机最小系统电路图
3.2超声波模块
该模块实现将实现超声波的发送和接收，通过发送和接收时间差实现距离的测量。
该模块采用了HC-SR04超声波测距模块，该模块的电路图如下所示：
图3HC-SR04超声波测距模块电路图
3.3按键模块
该模块主要实现报警距离的设定，其电路图如下所示：
图4按键模块电路图
3.4显示模块
该模块主要实现测量距离的显示和测定离的显示，选用NOKIA5110液晶，其电路图如下所示：
图5NOKIA5110液晶电路图
3.5报警模块
该模块主要实现报警功能，当实测距离小于设定距离时警醒报警，该模块电路图如下所示：
图6报警模块电路图
4安装、调试/仿真、调试
4.1调试步骤
1.STC89C52单片机最小系统焊接好之后，写入程序，通过IO口输出到底电平及复位按键测试是否能正常工作。
2.利用单片机让NOKIA5110液晶显示指定内容，测试显示模块是否正常。
3.将设定距离显示在NOKIA5110液晶上，通过按键模块改变设定值，测试按键模块是否正常。
4.利用单片机驱动报警模块，测试报警模块是否正常工作。
5.将障碍物置于超声波发送接收头之前，改变其距离，测试超声波模块是否正常工作。
4.2实验测试结果/仿真结果及性能分析
经过上述调试使各模块都能正常工作之后，NOKIA5110液晶显示了测试距离和设定距离，并且设定距离课通过按键改变，改变之后的设定值也会时时显示在NOKIA5110液晶上。
当障碍物与超声波模块的距离小于设定值时，报警模块蜂鸣器会响起，当障碍物与超声波模块的距离大设定值时，报警模块蜂鸣器不会响起，其测距误差小于5%，反应时间小于0.5秒，最大的测量距可达到2米。
超声波报警系统实际工作图如下所示：
图7超声波报警系统实际工作图
5总结
6、参考文献
[1]郁有文，常健，程继红．传感器原理及工程应用（第三版）．西安：
西安电子科技大学出版社．2003-07
[2]陈杰、黄鸿著.传感器与检测技术．北京：
高等教育出版社．2002-08
[3]徐科军编.传感器与检测技术．北京：
电子工业出版社．2008-02
附录1系统硬件电路图/仿真电路图
附录2元器件清单
表1元器件清单
类型
规格/型号
数量
单片机
STC89C52
1
超声波测距模块
HC-SR04
1
电阻
10K
4
电阻
2K
1
电容（无极性）
0.1uF
3
电容（有极性）
10uF
1
晶振
12M
1
按键
4
三极管
2N3906
1
蜂鸣器
5VDC
1
液晶
NOKIA5110
1
附录3程序清单
#include"reg51.h"
#include"nokia5110.h"
#defineu16unsigedint
#defineu8unsigedchar
#defineGPIO_KEYP1
#defineCHECK0
#defineMOD11
#defineMOD22
#defineMOD33
sbittrig=P3^5;
voidDisplay（）;
voiddeley10ms（u8c）;
voiddeley10us（）;
voidSR40_Init（）;
voidTIM0_Init（）;
voidSR40_Start（）;
voidKeyValue（u8value）;
u8Key_Scan（）;
u32DATA_Handle（u32*ptr）;
u32sr_data;
u32set_number;
u8t=0,state=CHECK;
u8flash=1;
voidmain（）
{
set_number=50;
buzz=1;
SR40_Init（）;
TIM0_Init（）;
LCD5110_Init（）;
trig=0;
buzz=1;
LCD_write_english_string（1,0,"Thedatais:
"）;
LCD_write_english_string（3,0,"Thesetis:
"）;
while
（1）
{
KeyValue（Key_Scan（））;
if（set_number>500）
set_number=20;
}
}
voiddeley10ms（u8c）//延迟10ms
{
u8a,b;
//--c已经在传递过来的时候已经赋值了，所以在for语句第一句就不用赋值了--//
for（;c>0;c--）
{
for（b=38;b>0;b--）
{
for（a=130;a>0;a--）;
}
}
}
voiddeley10us（）//延迟10us
{
u8a;
for（a=20;a>0;a--）;
}
u8Key_Scan（）
{
unsignedcharkeyValue=0,i;//保存键值
//--检测按键1--//
if（（GPIO_KEY&0xf0）!
=0xF0）//检测按键K1是否按下
{
deley10ms
（1）;//消除抖动
if（（GPIO_KEY&0xf0）!
=0xF0）//再次检测按键是否按下
{
keyValue=GPIO_KEY&0xf0;
i=0;
while（（i<50）&&（（GPIO_KEY&0xf0）!
=0xF0））//检测按键是否松开
{
deley10ms
（1）;
i++;
}
}
}
else
keyValue=0xf0;
returnkeyValue;//将读取到键值的值返回
}
voidKeyValue（u8value）
{
if（value==0xf0）return;
if（state==CHECK）
{
state=MOD1;
}
else
{
switch（state）
{
case（MOD1）:
{
switch（value）
{
case（0xe0）:
state=CHECK;break;
case（0xD0）:
state=MOD2;break;
case（0xb0）:
set_number+=100;break;
case（0x70）:
set_number-=100;break;
}
}break;
case（MOD2）:
{
switch（value）
{
case（0xe0）:
state=CHECK;break;
case（0xD0）:
state=MOD3;break;
case（0xb0）:
set_number+=10;break;
case（0x70）:
set_number-=10;break;
}
}break;
case（MOD3）:
{
switch（value）
{
case（0xe0）:
state=CHECK;break;
case（0xD0）:
state=MOD1;break;
case（0xb0）:
set_number+=1;break;
case（0x70）:
set_number-=1;break;
}
}break;
}
}
}
voidSR40_Init（）
{
TMOD|=0X90;
EA=1;
TR1=1;
//ET1=1;
IT1=1;
EX1=1;
}
voidSR40_Start（）
{
TH1=0;
TL1=0;
t=0;
trig=1;
deley10us（）;
trig=0
}
voidTIM0_Init（）
{
TMOD|=0X01;
TR0=1;
ET0=1;
}
u32DATA_Handle（u32*ptr）
{
u32val;
u8i;
for（i=0;i<4;i++）
{
if（ptr[i]{
val=ptr[i];
ptr[i]=ptr[i+1];
ptr[i+1]=val;
}
}
returnptr[2];
}
voidEXTI_ISR（）interrupt2
{
staticu8i=0;
u32temp;
u32dat[5];
temp=TH1*256+TL1;
dat[i]=temp;
if（i==4）
{
sr_data=DATA_Handle（dat）*17/1000;
i=0;
}
else
i++;
if（sr_data>set_number）
buzz=1;
else
buzz=0;
TH1=0;
TL1=0;
}
voidTIM0_ISR（）interrupt1
{
staticu8t1=0,t2=0;
t1++;t2++;
if（t1==5）
{
t1=0;
if（state!
=CHECK）
{
flash=!
flash;
}
Display（）;
}
if（t1==2）
{
t2=0;
if（state==CHECK）
SR40_Start（）;
}
}
voidDisplay（）
{
if（state==CHECK）
{
LCD_Write_Num（2,24,sr_data,3）;
LCD_Write_Num（4,24,set_number,3）;
}
else
{
if（flash）
{
LCD_Write_Num（4,24,set_number,3）;
}
else
{
if（state==MOD1）LCD_write_english_string（4,24,""）;
elseLCD_Write_Num（4,24,set_number/100,1）;
if（state==MOD2）LCD_write_english_string（4,30,""）;
elseLCD_Write_Num（4,30,set_number%100/10,1）;
if（state==MOD3）LCD_write_english_string（4,36,""）;
elseLCD_Write_Num（4,36,set_number%10,1）;
}
}
}
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